Organization
School of Science Visiting Associate Professor
Title
Visiting Associate Professor
External link
FUJIYOSHI SATORU
News & Topics
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Pinpointing biomolecules with nanometer accuracy
2019/10/21
Languages： English
Scientists at Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) demonstrate a new approach in fluorescence microscopy that can be used to locate individual biomolecules in 3D space with nanometer-scale p
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クライオ蛍光顕微鏡で分子イメージングに成功 鍵はナノレベルのピント合わせにあり
2019/10/11
Languages： Japanese
要点-ナノメートル正確度のクライオ蛍光顕微鏡が完成-通常の蛍光顕微鏡に比べて2桁高い正確度-長さ10ナノメートルの二本鎖DNAの両末端を1分子ごとに可視化概要東京工業大学理学院物理学系の古林琢大学院生、石田啓太大学院生、松下道雄准教授、藤
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2019/07/17
Languages： Japanese
極限環境への耐性、広視野、高開口数、すべての収差の補正を並立 成功の鍵は、対物レンズ設計では非主流の反射光学系 生命現象の光イメージングに道筋をつける新技術
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世界初、光学顕微鏡で三次元分子解像度を実現 ―生命現象の分子レベル画像化に期待―
2017/07/04
Languages： Japanese
一つ一つの生体分子の三次元位置をそのサイズと同等の解像度で観察可能に 手作り光学顕微鏡だからできた世界最高の解像度 鮮明な画像の鍵は超流動ヘリウムとその中で使える反射対物レンズ
Degree
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博士（理学）
Research Interests
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Cryogenic Reflecting Objective
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Cryogenic fluorescence microscope
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Single Molecule Spectroscopy
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3D Nanoscope
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Single molecule nanoscopy
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Physical Chemistry
Research Areas
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Nanotechnology/Materials / Fundamental physical chemistry
Papers
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Single-Molecule 3D Nanoscopy for Application to Cryofixed Samples. Reviewed International journal
Kanta Naruse, Tsuyoshi Matsuda, Yuta Mizouchi, Namiki Tominaga, Kento Takishima, Naoki Kamiya, Eiji Nakata, Takashi Morii, Michio Matsushita, Satoru Fujiyoshi
The journal of physical chemistry. B 129 ( 42 ) 11006 - 11014 2025.10
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Cryogenic Single-Molecule Fluorescence Detection of the Mid-Infrared Response of an Intrinsic Pigment in a Light-Harvesting Complex Invited Reviewed
Kohei Otomo, Takehisa Dewa, Michio Matsushita, Satoru Fujiyoshi
The Journal of Physical Chemistry B ( 17 ) 4959 - 4965 2023.5
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Erratum: Superfluid helium nanoscope insert with millimeter working range (Rev. Sci. Instrum. (2022) 93 (103703) DOI: 10.1063/5.0107395)
Naoki Kamiya, Kazuki Kuramoto, Kento Takishima, Tatsuya Yumoto, Haruka Oda, Takeshi Shimi, Hiroshi Kimura, Michio Matsushita, Satoru Fujiyoshi
Review of Scientific Instruments 93 ( 12 ) 2022.12
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Superfluid helium nanoscope insert with millimeter working range Reviewed
Naoki Kamiya, Kazuki Kuramoto, Kento Takishima, Tatsuya Yumoto, Haruka Oda, Takeshi Shimi, Hiroshi Kimura, Michio Matsushita, Satoru Fujiyoshi
Review of Scientific Instruments 93 ( 10 ) 103703 - 103703 2022.10
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Toru Kondo, Risa Mutoh, Shun Arai, Genji Kurisu, Hirozo Oh-oka, Satoru Fujiyoshi, Michio Matsushita
The Journal of Chemical Physics 156 ( 10 ) 105102 - 105102 2022.3
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Variable immersion microscopy with a high numerical aperture Reviewed International journal
Keita Ishida, Kanta Naruse, Yuta Mizouchi, Yoshihiro Ogawa, Michio Matsushita, Takeshi Shimi, Hiroshi Kimura, Satoru Fujiyoshi
Optics Letters 46 ( 4 ) 856 - 859 2021.2
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Cryogenic Far-Field Fluorescence Nanoscopy: Evaluation with DNA Origami Reviewed
Taku Furubayashi, Keita Ishida, Eiji Nakata, Takashi Morii, Kanta Naruse, Michio Matsushita, Satoru Fujiyoshi
The Journal of Physical Chemistry B 124 ( 35 ) 7525 - 7536 2020.8
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Toru Kondo, Risa Mutoh, Hiroaki Tabe, Genji Kurisu, Hirozo Oh-Oka, Satoru Fujiyoshi, Michio Matsushita
The Journal of Physical Chemistry Letters 11 ( 10 ) 3980 - 3986 2020.5
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Nanometer Accuracy in Cryogenic Far-Field Localization Microscopy of Individual Molecules Reviewed
Taku Furubayashi, Keita Ishida, Hiromu Kashida, Eiji Nakata, Takashi Morii, Michio Matsushita, Satoru Fujiyoshi
The Journal of Physical Chemistry Letters 10 ( 19 ) 5841 - 5846 2019.10
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Aberration-corrected cryogenic objective mirror with a 0.93 numerical aperture Reviewed
Fujiwara Masanori, Ishii Takaki, Ishida Keita, Toratani Yasuharu, Furubayashi Taku, Matsushita Michio, Fujiyoshi Satoru
APPLIED PHYSICS LETTERS 115 ( 3 ) 2019.7
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Hiroaki Tabe, Kei Sukenobe, Toru Kondo, Atsunori Sakurai, Minako Maruo, Akari Shimauchi, Mitsuharu Hirano, Shin-nosuke Uno, Mako Kamiya, Yasuteru Urano, Michio Matsushita, Satoru Fujiyoshi
The Journal of Physical Chemistry B 122 ( 27 ) 6906 - 6911 2018.7
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Three-Dimensional Localization of an Individual Fluorescent Molecule with Angstrom Precision Reviewed
Taku Furubayashi, Kazuya Motohashi, Keisuke Wakao, Tsuyoshi Matsuda, Isao Kii, Takamitsu Hosoya, Nobuhiro Hayashi, Mahito Sadaie, Fuyuki Ishikawa, Michio Matsushita, Satoru Fujiyoshi
JOURNAL OF THE AMERICAN CHEMICAL SOCIETY 139 ( 26 ) 8990 - 8994 2017.7
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Reflecting microscope system with a 0.99 numerical aperture designed for three-dimensional fluorescence imaging of individual molecules at cryogenic temperatures Reviewed
H. Inagawa, Y. Toratani, K. Motohashi, I. Nakamura, M. Matsushita, S. Fujiyoshi
SCIENTIFIC REPORTS 5 2015.8
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Temperature-cycle microscopy reveals single-molecule conformational heterogeneity Reviewed
Haifeng Yuan, Alexander Gaiduk, Joanna R. Siekierzycka, Satoru Fujiyoshi, Michio Matsushita, Daniel Nettels, Benjamin Schuler, Claus A. M. Seidel, Michel Orrit
PHYSICAL CHEMISTRY CHEMICAL PHYSICS 17 ( 9 ) 6532 - 6544 2015
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Spectroscopy of single Pr3+ ion in LaF3 crystal at 1.5 K Reviewed
Ippei Nakamura, Tatsuya Yoshihiro, Hironori Inagawa, Satoru Fujiyoshi, Michio Matsushita
SCIENTIFIC REPORTS 4 2014.12
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Three-dimensional laser-scanning confocal reflecting microscope for multicolor single-molecule imaging at 1.5 K Reviewed
Minako Maruo, Hironori Inagawa, Yasuharu Toratani, Toru Kondo, Michio Matsushita, Satoru Fujiyoshi
CHEMICAL PHYSICS LETTERS 591 233 - 236 2014.1
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Kondo Toru, Mutoh Risa, Kurisu Genji, Oh-oka Hirozo, Fujiyoshi Satoru, Matsushita Michio
Seibutsu Butsuri 54 ( 1 ) S182 2014
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Mechanical stability of a microscope setup working at a few kelvins for single-molecule localization Reviewed
Takuya Hinohara, Yuki I. Hamada, Ippei Nakamura, Michio Matsushita, Satoru Fujiyoshi
CHEMICAL PHYSICS 419 246 - 249 2013.6
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3P252 Cryogenic single molecule spectroscopy of the electron transfer cofactor in the photosynthetic reaction center(18B. Photobiology: Photosynthesis,Poster)
Kondo Toru, Mutoh Risa, Kurisu Genji, Oh-oka Hirozo, Fujiyoshi Satoru, Matsushita Michio
Seibutsu Butsuri 53 ( 1 ) S253 2013
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Single-protein study of photoresistance of pigment-protein complex in lipid bilayer Reviewed
Daisuke Uchiyama, Hajime Hoshino, Kohei Otomo, Taro Kato, Ken-ichi Onda, Akira Watanabe, Hiroyuki Oikawa, Satoru Fujiyoshi, Michio Matsushita, Mamoru Nango, Natsuko Watanabe, Ayumi Sumino, Takehisa Dewa
CHEMICAL PHYSICS LETTERS 511 ( 1-3 ) 135 - 137 2011.7
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Structural Change of a Cofactor Binding Site of Flavoprotein Detected by Single-Protein Fluorescence Spectroscopy at 1.5 K Reviewed
Satoru Fujiyoshi, Mitsuharu Hirano, Michio Matsushita, Mineo Iseki, Masakatsu Watanabe
PHYSICAL REVIEW LETTERS 106 ( 7 ) 2011.2
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Single-component reflecting objective for low-temperature imaging and spectroscopy of single nano objects Reviewed
Masanori Fujiwara, Satoru Fujiyoshi, Michio Matsushita
SELECTED PAPERS FROM 17TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON DYNAMICAL PROCESSES IN EXCITED STATES OF SOLIDS (DPC'10) 13 2011
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Reconstitution of bacterial photosynthetic unit in a lipid bilayer studied by single-molecule spectroscopy at 5 K Reviewed
Daisuke Uchiyama, Hiroyuki Oikawa, Kohei Otomo, Mamoru Nango, Takehisa Dewa, Satoru Fujiyoshi, Michio Matsushita
PHYSICAL CHEMISTRY CHEMICAL PHYSICS 13 ( 24 ) 11615 - 11619 2011
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Vibrational Microspectroscopy of Single Proteins Reviewed
Satoru Fujiyoshi, Yo Furuya, Mineo Iseki, Masakatsu Watanabe, Michio Matsushita
JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY LETTERS 1 ( 17 ) 2541 - 2545 2010.9
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Single-component reflecting objective for ultraviolet imaging and spectroscopy at cryogenic temperature Reviewed
Masanori Fujiwara, Satoru Fujiyoshi, Michio Matsushita
JOURNAL OF THE OPTICAL SOCIETY OF AMERICA B-OPTICAL PHYSICS 26 ( 7 ) 1395 - 1399 2009.7
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Visible fluorescence spectroscopy of single proteins at liquid-helium temperature (vol 100, artn 168101, 2008) Reviewed
Satoru Fujiyoshi, Masanori Fujiwara, Michio Matsushita
PHYSICAL REVIEW LETTERS 100 ( 17 ) 2008.5
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How deep is the potential well confining a protein in a specific conformation? A single-molecule study on temperature dependence of conformational change between 5 and 18 K
Hiroyuki Oikawa, Satoru Fujiyoshi, Takehisa Dewa, Mamoru Nango, Michio Matsushita
JOURNAL OF THE AMERICAN CHEMICAL SOCIETY 130 ( 14 ) 4580 - + 2008.4
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Visible fluorescence spectroscopy of single proteins at liquid-helium temperature Reviewed
Satoru Fujiyoshi, Masanori Fujiwara, Michio Matsushita
PHYSICAL REVIEW LETTERS 100 ( 16 ) 2008.4
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How deep is the potential well confining a protein in a specific conformation? A single-molecule study on temperature dependence of conformational change between 5 and 18 K Reviewed
Hiroyuki Oikawa, Satoru Fujiyoshi, Takehisa Dewa, Mamoru Nango, Michio Matsushita
JOURNAL OF THE AMERICAN CHEMICAL SOCIETY 130 ( 14 ) 4580 - + 2008.4
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3P-268 A single-molecule study on conformational change of light-harvesting complex between 5 and 18K(The 46th Annual Meeting of the Biophysical Society of Japan)
Oikawa Hiroyuki, Fujiyoshi Satoru, Dewa Takehisa, Nango Mamoru, Matsushita Michio
Seibutsu Butsuri 48 S169 2008
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Single-component reflecting objective for low-temperature spectroscopy in the entire visible region Reviewed
Satoru Fujiyoshi, Masanori Fujiwara, Changman Kim, Michio Matsushita, Antoine M. van Oijen, Jan Schmidt
APPLIED PHYSICS LETTERS 91 ( 5 ) 2007.7
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COLL 213-Fourth-order Raman observation of organic molecules adsorbed on TiO2 Reviewed
Tomonori Nomoto, Satoru Fujiyoshi, Taka-aki Ishibashi, Hiroshi Onishi
ABSTRACTS OF PAPERS OF THE AMERICAN CHEMICAL SOCIETY 232 2006.9
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Molecular vibrations at a liquid-liquid interface observed by fourth-order Raman spectroscopy Reviewed
S Fujiyoshi, T Ishibashi, H Onishi
JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY B 110 ( 19 ) 9571 - 9578 2006.5
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Time-resolved infrared spectroscopy of K3Ta3B2O12 photocatalysts for water splitting Reviewed
T Ikeda, S Fujiyoshi, H Kato, A Kudo, H Onishi
JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY B 110 ( 15 ) 7883 - 7886 2006.4
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Fourth-Order Raman Spectroscopy at A Liquid-Liquid Interface Reviewed
Hiroshi Onishi, Satoru Fujiyoshi, Taka-aki Ishibashi
Journal of Physical Chemistry B 110・・9571-9578 2006
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Fourth-order Raman spectroscopy of wide-band gap materials Reviewed
S Fujiyoshi, T Ishibashi, H Onishi
JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY B 109 ( 18 ) 8557 - 8561 2005.5
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Low-frequency vibrations of molecular submonolayers detected by time-domain Raman spectroscopy Reviewed
S Fujiyoshi, T Ishibashi, H Onishi
JOURNAL OF MOLECULAR STRUCTURE 735 169 - 177 2005.2
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Fifth-order Raman spectroscopy of excited-state molecules Reviewed
S Fujiyoshi, T Ishibashi, H Onishi
JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY A 108 ( 51 ) 11165 - 11171 2004.12
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Interface-specific vibrational spectroscopy of molecules with visible lights Reviewed
S Fujiyoshi, TA Ishibashi, H Onishi
JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY B 108 ( 30 ) 10636 - 10639 2004.7
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Time-resolved impulsive stimulated Raman studies of 1,1 '-binaphthyl in the excited state: Low-frequency vibrations and conformational relaxation Reviewed
S Fujiyoshi, S Takeuchi, T Tahara
JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY A 108 ( 28 ) 5938 - 5943 2004.7
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Time-domain Raman measurement of molecular submonolayers by time-resolved reflection spectroscopy Reviewed
S Fujiyoshi, TA Ishibashi, H Onishi
JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY B 108 ( 5 ) 1525 - 1528 2004.2
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Time-resolved impulsive stimulated Raman scattering from excited-state polyatomic molecules in solution Reviewed
S Fujiyoshi, S Takeuchi, T Tahara
JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY A 107 ( 4 ) 494 - 500 2003.1
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Coherence, relaxation and reaction of solution-phase molecules studied by femtosecond nonlinear spectroscopy: Vibrational coherence observed in the third order optical process Reviewed
T Tahara, S Takeuchi, S Fujiyoshi, S Matsuo
ICONO 2001: ULTRAFAST PHENOMENA AND STRONG LASER FIELDS 4752 82 - 88 2002
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Lewis acid mediated domino allylation of diallylsilane to alpha,beta-unsaturated ketones Reviewed
T Akiyama, K Asayama, S Fujiyoshi
JOURNAL OF THE CHEMICAL SOCIETY-PERKIN TRANSACTIONS 1 ( 22 ) 3655 - 3656 1998.11
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Observation of weak fluorescence from the second excited state in an anthracene crystal Reviewed
R Katoh, S Fujiyoshi, M Kotani
CHEMICAL PHYSICS LETTERS 292 ( 4-6 ) 621 - 624 1998.8
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Allyldiisopropylphenylsilane as a synthetic equivalent of 2-hydroxy-1,3-dipole. Stereoselective synthesis of cyclopentanols Reviewed
T Akiyama, E Hoshi, S Fujiyoshi
JOURNAL OF THE CHEMICAL SOCIETY-PERKIN TRANSACTIONS 1 ( 14 ) 2121 - 2122 1998.7
MISC
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8aAQ-1 Single-molecule spectroscopy of photosynthetic reaction center protein at 6 K
Kondo Toru, Mutoh Risa, Kurisu Genji, Oh-oka Hirozo, Fujiyoshi Satoru, Matsushita Michio
Meeting abstracts of the Physical Society of Japan 69 ( 2 ) 201 - 201 2014.8
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Spectroscopy of Single Praseodymium Ion towards Observation of Single Nuclear Spin in Solid
Nakamura Ippei, Fujiyoshi Satoru, Matsushita Michio
Meeting abstracts of the Physical Society of Japan 68 ( 2 ) 133 - 133 2013.8
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27pEJ-12 Single-molecule Three Dimensional Confocal Microscopy at 1.5K
Maruo M., Inagawa H., Matsushita M., Fujiyoshi S.
Meeting abstracts of the Physical Society of Japan 68 ( 1 ) 814 - 814 2013.3
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20pFJ-12 An objective with a numerical aperture of 0.8 for single-molecule spectroscopy at cryogenic temperatures
Inagawa Hironori, Maruo Minako, Fujiyoshi Satoru, Matsushita Michio
Meeting abstracts of the Physical Society of Japan 67 ( 2 ) 708 - 708 2012.8
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Single-molecule spectroscopy of a structural change of a protein Invited Reviewed
Oikawa H, Fujiyoshi S, Dewa T, Nango M, Matsushita M
Kobunshi 60 ( 2 ) 80 - 81 2011.2
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21pTD-5 Towards Optical Observation of Quantum State of Single Nuclear Spin in Solid
Nakamura I., Yoshihiro T., Fujiyoshi S., Matsushita M.
Meeting abstracts of the Physical Society of Japan 65 ( 1 ) 195 - 195 2010.3
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23aHL-3 What causes spectral jump of fluorescence of a single molecule in H_2O matrix at 1.5K?
Shimauchi A., Sakurai A., Hirano M., Fujiyoshi S., Matsushita M.
Meeting abstracts of the Physical Society of Japan 65 ( 1 ) 793 - 793 2010.3
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27pSK-9 Towards Optical Detection of Single Pr^<3+> in Solid at Low-Temperature
Yoshihiro T., Hirano M., Fujiyoshi S., Matsushita M.
Meeting abstracts of the Physical Society of Japan 64 ( 1 ) 144 - 144 2009.3
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20pZA-5 Developing Microscope of Visible Wavelength Region for Single-Ions Detection in Solid at Low-Temperature
Yoshihiro T., Hirano M., Fujiyoshi S., Matsushita M.
Meeting abstracts of the Physical Society of Japan 63 ( 2 ) 102 - 102 2008.8
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23pYD-4 Single molecule study of energy transfer between photosynthetic antenna complexes
Furuya Y, Uchiyama D, Fujiyoshi S, Matsushita M, Suemori Y, Dewa T, Nango M
Meeting abstracts of the Physical Society of Japan 63 ( 1 ) 358 - 358 2008.2
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23pYD-6 Low-Temperature Single-Protein Spectroscopy performed by Two-Photon Fluorescence Detection
Fujiyoshi S., Matsushita M.
Meeting abstracts of the Physical Society of Japan 63 ( 1 ) 358 - 358 2008.2
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23pYD-5 Improvement of Spherical and Chromatic Aberrations of Reflecting Objective for a Temperature of 1.5 K
Fujiwara Masanori, Fujiyoshi Satoru, Matsushita Michio
Meeting abstracts of the Physical Society of Japan 63 ( 1 ) 358 - 358 2008.2
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21aRK-3 Spectroscopy of aggregate of photosynthetic antenna complexes in lipid bilayer
Uchiyama D., FUruya Y., Fujiyoshi S., Matsushita M., Dewa T., Nango M.
Meeting abstracts of the Physical Society of Japan 62 ( 2 ) 348 - 348 2007.8
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21aZB-13 Scattering Imaging in liquid helium by single-piece reflecting objective
Fujiwara Masanori, Fujiyoshi Satoru, Matsushita Michio
Meeting abstracts of the Physical Society of Japan 62 ( 1 ) 175 - 175 2007.2
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21aZB-13 Scattering imaging in liquid helium by single-piece reflecting objective
Fujiwara Masanori, Fujiyoshi Satoru, Matsushita Michio
Meeting abstracts of the Physical Society of Japan 62 ( 1 ) 760 - 760 2007.2
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23pRC-1 Structure of photosynthetic antenna complex in micelle and in lipid bilayer
Uchiyama D., Fujiyoshi S., Matsushita M., Suemori Y., Dewa T., Nango M.
Meeting abstracts of the Physical Society of Japan 61 ( 2 ) 247 - 247 2006.8
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28pPSB-55 Spectral diffusion of Individual Light-Harvesting 2 Complex at Cryogenic Temperature
Oikawa H., Fujiyoshi S., Matsushita M., Suemori Y., dewa D., Nango M.
Meeting abstracts of the Physical Society of Japan 61 ( 1 ) 374 - 374 2006.3
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22pPSA-29 Multiphoton-Fluorescence Microscope Developed for Single-Protein Observation
Fujiyoshi Satoru, Kim Changman, Matsushita Michio
Meeting abstracts of the Physical Society of Japan 60 ( 2 ) 258 - 258 2005.8
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21aXG-4 Fano-like absorption lineshape of Light-Harvesting antenna complexes
Kato Taro, Fujiyoshi Satoru, Matsushita Michio
Meeting abstracts of the Physical Society of Japan 60 ( 2 ) 239 - 239 2005.8
Awards
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理学系若手教育賞
2019.3 東京工業大学
藤芳 暁
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科学技術分野の文部科学大臣表彰 若手科学者賞
2014.4 文部科学省
藤芳 暁
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理学系若手奨励賞
2013.12 東工大 理工学研究科（理学系）
藤芳 暁
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挑戦的研究賞 学長特別賞
2012.8 東京工業大学
藤芳 暁
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七夕フェロー
2010.8 理化学研究所GSC
藤芳 暁
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研究助成
2010.8 (公)分子科学奨励森野基金
藤芳 暁
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若手奨励賞
2009.3 日本物理学会
藤芳 暁
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(財)手島記念教育資金団 中村発明賞
2009.2
藤芳 暁
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分子構造総合討論会 奨励賞
2004.9
藤芳 暁
Research Projects
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集光性アンテナの構造と機能の１分子相関観察
Grant number：24H00872 2024.4 - 2027.3
日本学術振興会 科学研究費助成事業 学術変革領域研究(B)
渡辺 麻衣, 藤芳 暁
Grant amount：\52130000 （ Direct Cost: \40100000 、 Indirect Cost：\12030000 ）
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クライオnanoCLEMで拓くクロススケール新生物学
Grant number：24H01272 2024.4 - 2026.3
日本学術振興会 科学研究費助成事業 学術変革領域研究(A)
藤芳 暁
Grant amount：\9100000 （ Direct Cost: \7000000 、 Indirect Cost：\2100000 ）
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クロススケール顕微鏡の実現
Grant number：22H05534 2022.6 - 2024.3
日本学術振興会 科学研究費助成事業 学術変革領域研究(A)
藤芳 暁
Grant amount：\9360000 （ Direct Cost: \7200000 、 Indirect Cost：\2160000 ）
本課題の目的は、細胞内にあるメゾ複雑体を分子レベルで観察できる「クロススケール顕微鏡」を開発することにある。クロススケール顕微鏡とは、電子線ト モグラフィーとクライオ蛍光顕微鏡を組み合わせた顕微鏡である。これにより、光と電子で凍結細胞の同一視野をナノレベルの分解能で観察することを目指して いる。 蛍光顕微鏡は1分子の感度で細胞全体を観察できる唯一の方法である。しかも、フラグメント抗体などを用いれば、分子選択的な蛍光観察はもちろん、リン酸 化などの化学修飾選択的な観察も可能である。一方、クライオ電子顕微鏡は、細胞外であれば、分子複合体を原子レベルで観察できる。さらに、細胞全体を観察 するかわりに、収束イオンビームと走査型電子顕微鏡を組み合わせで細胞を加工し、凍結切片化した細胞に含まれる生体分子を観察する方法が提案されている。 このように、クライオ蛍光顕微鏡は小器官のような比較的大きな構造体の観察、電子顕微鏡は分子複合体の観察と、得意とする観察対象が分かれており、二つを 組み合わせると強力な顕微観察法になる。しかし、実際には、蛍光顕微鏡の分解能が電子顕微鏡に比べて2桁悪いため、同一視野を観察しても、それぞれの情報 を相関させることは困難である。ごく最近、申請者らは数nm分解能のクライオ蛍光顕微鏡を開発しており、光と電子の分解能の隔たりを解消した。本課題では、 ナノレベルの分解能のクライオ蛍光顕微鏡と電子線トモグラフィーを組み合わせた「クロススケール顕微鏡」を開発する。これにより、細胞内のメゾ複雑体を観 察し、生命現象の謎に挑むことを目的とした。
2023年度は目的にそって、「クロススケール顕微鏡」の開発を完了した。その応用例として、ミトコンドリアと小胞体間のコンタクトサイトの研究をおこなった。その結果、厚さ50 nmの樹脂包埋切片のクロススケール顕微鏡観察に成功した。 -
Structural dynamics of GPCR in cells
Grant number：21H05037 2021.7 - 2026.3
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
Grant amount：\189280000 （ Direct Cost: \145600000 、 Indirect Cost：\43680000 ）
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細胞核形成における分子機構についての研究
Grant number：21H01876 2021.4 - 2025.3
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(B)
藤芳 暁, 工藤 史貴, 志見 剛
Grant amount：\17290000 （ Direct Cost: \13300000 、 Indirect Cost：\3990000 ）
近年、クライオ電子線トモグラフィーによる単粒子解析の急速な発展により、精製たんぱく質の原子モデルを得ることが可能になってきた。しかし、細胞の機能を理解するには、細胞外(in vitro)の情報だけでは不十分である。細胞内部では、多種多様なたんぱく質が混在し、相互作 用することで分子ネットワークをつくって機能を発現しているからである。つまり、細胞の機能を理解するには、細胞内部(in vivo)で「生体分子複合体がどこに局在し、どのような分子との相互作用があるか」を分子レベルでの観察が必要である。
生体分子は、分子間相互作用という近距離で働く力を利用して、大きさ数十ミクロンの細胞を形成している。しかし、細胞をナノメートルからミクロンまで継ぎ目なく観察できる顕微鏡が存在しないため、その詳細は良く分かっていない。そこで、研究代表者らは、このような観察できる「超流動ヘリウム蛍光顕微鏡」の開発をおこなってきた。昨年、この顕微鏡を用いて、ナノレベルの1分子イメージングに成功した。本研究では、超流動ヘリウム蛍光顕微鏡で細胞核を観察することで、体細胞分裂期に起こる形態変化の様子を分子レベルで観察し、細胞核形成の分子機構について研究することを目的とする。
本年度は、このような背景から、細胞内標識技術の開発をおこなった。その結果、細胞核表面にある核膜孔の蛍光標識に成功した。本課題で開発している色素分子は可視波長域の励起光を吸収し、光を吸収した置換基から近赤外蛍光性の置換基に励起エネルギー移動がおこり、蛍光が発せられる。よって、分子全体としては、可視吸収性かつ近赤外蛍光性になる。この分子を用いることにより、細胞自身の自家蛍光が低い近赤外波長領域の１分子観察が可能になり、細胞内でのナノレベル観察が現実味を帯びてきた。 -
細胞核形成における分子機構についての研究
Grant number：23K21093 2021.4 - 2025.3
日本学術振興会 科学研究費助成事業 基盤研究(B)
藤芳 暁, 工藤 史貴, 志見 剛
Grant amount：\17290000 （ Direct Cost: \13300000 、 Indirect Cost：\3990000 ）
近年、クライオ電子線トモグラフィーによる単粒子解析の急速な発展により、精製たんぱく質の原子モデルを得ることが可能になってきた。しかし、細胞の機能を理解するには、細胞外(in vitro)の情報だけでは不十分である。細胞内部では、多種多様なたんぱく質が混在し、相互作用することで分子ネットワークをつ くって機能を発現しているからである。つまり、細胞の機能を理解するには、細胞内部(in vivo)で「生体分子複合体がどこに局在し、どのような分子との相互作用があるか」を分子レベルでの観察が必要である。 生体分子は、分子間相互作用という近距離で働く力を利用して、大きさ数十ミクロンの細胞を形成してい る。しかし、細胞をナノメートルからミクロンまで継ぎ目なく観察できる顕微鏡が存在しないため、その詳細は良く分かっていない。そこで、研究代表者らは、 このような観察できる「超流動ヘリウム蛍光顕微鏡」の開発をおこなってきた。昨年、この顕微鏡を用いて、ナノレベルの1分子イメージングに成功した。本研究では、超流動ヘリウム蛍光顕微鏡で細胞核を観察する ことで、体細胞分裂期に起こる形態変化の様子を分子レベルで観察し、細胞核形成の分子機構について研究することを目的とする。 本年度は核膜孔タンパク質にハロタグをノックインした細胞を用いて、細胞の厚さと蛍光画像の像質の関係を丁寧に研究し、100 nm以下の凍結切片が「超流動ヘリウム蛍光顕微鏡」に最適であることがわかった。また、同様にRNAP2についても研究をおこなった。
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クロマチン構造の核内観察
Grant number：21H00246 2021.4 - 2023.3
日本学術振興会 科学研究費助成事業 新学術領域研究(研究領域提案型)
藤芳 暁
Grant amount：\9360000 （ Direct Cost: \7200000 、 Indirect Cost：\2160000 ）
近年、生物顕微鏡の技術が飛躍的に進歩している。これは、2014年の超解像蛍光顕微鏡、2017年のクライオ電子顕微鏡の生物試料への応用がノーベル化学賞を受賞していることでも分かる。ところが実際には、超解像蛍光顕微鏡の分解能は分子レベルには１桁足りず、クライオ電顕を用いた単粒子解析では数万分子の平均値として原子モデルが得られるが、分子レベルの画像化法ではない。このような背景から、応募者たちのグループは１５年かけて細胞内部を真に分子レベルで可視化できる超流動ヘリウム蛍光顕微鏡の開発をおこなってきた。その結果、前回の公募研究において、DNAオリガミを用いることで、ヌクレオソーム分解能の光イメージングに実証した。
当該課題の研究目的は物理学者・生物学者・化学者の三者協力により、前人未踏の細胞内の分子イメージングを実証し、クロマチンの機能を分子レベルで理解するための新しい方法論を確立することである。さらに、同一の細胞株に対して、ライブイメージングをおこなうことで、超流動ヘリウム蛍光顕微鏡で観察されたナノレベルの空間情報がクロマチン動態にどのように関係しているかについて研究することを目標としている。
本年度は、上記の研究目的を実現するために、（１）細胞内の分子イメージングを実現するために必須のオングスロームレベルの安定性とミリメーターの走査範囲を両立した位置センサーの開発と（２）生細胞観察のための光シート顕微鏡の励起光の光学シミュレーションおよび実験をおこなった。（１）、（２）共に順調に研究が進んだ。 -
Development for single-molecule deep imaging method of biological sample under cryogenic conditions
Grant number：19K22162 2019.6 - 2021.3
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
Fujiyoshi Satoru
Grant amount：\6500000 （ Direct Cost: \5000000 、 Indirect Cost：\1500000 ）
Three-dimensional optical microscopy with a high numerical aperture (NA) remains challenging for thick biological specimens owing to aberrations arising from interface refractions. In this project, we have developed a variable immersion lens (VIL) for deep fluorescence imaging A VIL is a high-NA concentric meniscus lens and was used in combination with an aberration-corrected high-NA reflecting objective (TORA-FUJI mirror). VIL microscope enables diffraction-limited 1.2-NA imaging in water (refractive index of 1.34) at a depth of 0.3 mm by minimizing aberrations due to refraction of a sample interface. Another aberration due to refractive index mismatching between a mounting medium and an object can be also corrected by the VIL system because various fluids with different refractive indexes can be used as mounting media for the VIL. As a result, we have demonstrated that a cell spheroid can be imaged at a true dimension.
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クライオ蛍光顕微鏡による細胞核内構造の超微細イメージング
Grant number：19H05255 2019.4 - 2021.3
日本学術振興会 科学研究費助成事業 新学術領域研究(研究領域提案型)
藤芳 暁
Grant amount：\8450000 （ Direct Cost: \6500000 、 Indirect Cost：\1950000 ）
近年、生物顕微鏡の技術が飛躍的に進歩している。しかし、その中にも、細胞内部を分子レベルで画像化する方法は存在しない。そこで、研究代表者らは 15 年かけて、このような画像化 ができるクライオ蛍光顕微鏡の開発をおこなってきた。その結果、2017 年に、蛍光色素 (ATTO 647N)の三次元位置を精度 1 nm で1 分子観測することに世界ではじめて成功した。この 実験は細胞外で行われたものである。本研究の目的はこの技術を細胞内部の観察に応用することで、前人未踏の細胞内部の分子レベルイメージングを実現することである。
上記のような目的に対して、2020年度はクライオ条件における細胞内観察に不可欠の可変浸レンズを開発した。厚みのある生体試料の観察には球面収差と呼ばれる大きな収差により画像が歪むことが知られている。可変浸レンズはこの球面収差をゼロに出来る光学素子である。我々は当該領域の研究代表である木村宏博士と共同して、可変浸レンズの実証をおこなった。その結果、実証に成功し、原著論文も報告している。さらに、2019年度に報告した「１分子ナノスコピー」の続報として、DNAオリガミを用いて定量的に１分子ナノスコピーの結果をまとめた原著論文を報告した。さらに、細胞内観察に不可欠な技術として、蛍光プローブの開発にも挑戦した。その結果、非特異的吸着が少ない蛍光プローブの開発に成功した。いよいよ、この３つの技術を用いて、来年度は前人未踏の細胞内部の分子レベルイメージングを実現する。 -
Single-molecule observation of interaction between proteins
Grant number：16H04094 2016.4 - 2020.3
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
Satoru Fujiyoshi
Grant amount：\16900000 （ Direct Cost: \13000000 、 Indirect Cost：\3900000 ）
In cell, proteins interacted with one another, and forms a complex. The complex regulates biological functions. In the aim of the present work, we develop microscopy method for visualizing the molecular interaction. To visualize the interaction, we are developing a fluorescence microscope for cryogenic immobilized samples. As a result, the both ends of 10-nm-long double-stranded DNA molecules were localized with nanometer resolution.
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Transactions of telomere components
Grant number：15H02383 2015.4 - 2018.3
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
Ishikawa Fuyuki
Grant amount：\40430000 （ Direct Cost: \31100000 、 Indirect Cost：\9330000 ）
The CST complex consists of three subunits of CTC1, STN1 and TEN1. It is phylogenetically conserved among budding yeast, fission yeast, mammals and plants, but its exact function remains to be explored. Because in fission yeast, stn1 is essential, we isolated a temperature-sensitive mutant stn1-1. Culturing stn1-1 in permissive, semi-permissive or non-permissive temperatures, we found that Stn1 is required for efficient progressing of DNA replication fork at subtelomeres. When stn1 is dysfunctional, replication forks fails to complete replication to the very end of telomere, leading to massive loss of subtelomeres and telomeres in a couple of cell cycles.
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細胞内部を観る分子解像度の三次元蛍光顕微鏡
Grant number：14528032 2014 - 2017
科学技術振興機構 戦略的な研究開発の推進/戦略的創造研究推進事業/さきがけ
藤芳 暁
細胞で起こる生命活動には無数の生体分子が関わっており、これらの分子は互いに相互作用することで三次元的なネットワークを形成していることが示唆されています。しかし、示唆されているネットワークのほとんどは、既存の方法では可視化することが難しく、その機能には謎が多く残っています。当該研究では、細胞内部にある三次元のネットワークを分子解像度で可視化する方法論を確立します。
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Single-molecule observation of a higher order structure of a proton channel in influenza virus
Grant number：23685002 2011.4 - 2014.3
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Young Scientists (A)
FUJIYOSHI Satoru
Grant amount：\29250000 （ Direct Cost: \22500000 、 Indirect Cost：\6750000 ）
A laser-scanning confocal microscope was developed for three-dimensional (3D) imaging and co-localization of single biomolecules immobilized at a temperature of 1.5 K. The performance was demonstrated by taking 3-color 3D emission image of single quantum dots and 3D co-localization of single dots. The 3D image size of single dot with excitation wavelength of 635, 532, and 405 nm were all within 1.2 times of the diffraction-limited size. The 3D co-localization precision of single dot in images taken with 635 and 532 nm excitation was 3 nm in the lateral (x, y) and 18 nm in the axial (z) directions.
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Telomere Functions in Cancer Development
Grant number：22220012 2010.4 - 2016.3
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
ISHIKAWA Fuyuki, NABETANI Akira, TARUMOTO Yusuke, SAKAKIBARA Yasubumi, WAKABAYASHI Yuichi, FUJIYOSHI Satoru
Grant amount：\217620000 （ Direct Cost: \167400000 、 Indirect Cost：\50220000 ）
When you get cancers, it appears that they automatically become clever: They frequently relapse after surgical resection, chemo and radiation therapy, and resist to the second line of therapies. Since we have recently witnessed outstanding advances in genetic dissection of cancer DNAs, we now need to understand molecularly how cancer cells acquire malignant phenotypes (progression). One key step of the progression is that cancer cells modify genetic materials so that it contributes to their continuous growth. In this study, we focus on telomeres, a specific domain comprising chromosomal termini. We previously isolated a protein complex called CST (Ctc1-Stn1-Ten1), which facilitates DNA replication in both normal and cancer cells. Here, we investigated details of the function of the CST complex. Results allowed us to propose how normal CST function is important for preventing cancer development and progression.
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単一アミノ酸分光
Grant number：21655005 2009 - 2010
日本学術振興会 科学研究費助成事業 挑戦的萌芽研究
藤芳 暁
Grant amount：\3200000 （ Direct Cost: \3200000 ）
本研究課題の当初の目的は、アミノ酸残基を蛍光プロープとすることで単一タンパク質分光を全てのタンパク質に適応できる分光法とすることにある。この技術はプローブとしての高い応用性に加えて、光センサータンパク質の生理機能を解明につながる学術的にも重要なタンパク質の構造情報を引き出すことができると考えていた。
2年間の研究成果として、世界的に見てユニークな可視波長域(波長400-600nm)の単一分子蛍光分光装置の開発に成功した。この装置のポイントは2つある。1つは、光学顕微鏡の空間操作機構の改良を行うことで、精度良く一分子を観測できるようにした。2つ目は、昨年度実施した対物レンズの球面収差を補正により、背景光を半分に抑えることに成功した。これらの技術革新の結果、ミドリムシの光回避応答に関係するフラビンタンパク質の一分子分光に成功した。この結果から、当初の目標であった単一アミノ酸の動きを分光学的に追跡することに成功した。これは、温度数ケルビンにおけるフラビンタンパク質の1分子分光の世界で初めての成功例である。
上にあげた改善を尽くしても、芳香族アミノ酸自身を直接的に観測するための紫外域の実験(波長200-300nm)は不可能であった。これを実現するためには、対物レンズの性能を上げ、空間分解能を向上させることが必須であると認識している。しかし、これまでは波長800nmが短波長の限界であった温度数ケルビンの単一分子分光を可視波長域に広げたことは学術的に大きな進歩であると考えている。 -
Structure and function relationship of enzymes studied by single-molecule spectroscopy at liquid-helium temperature
Grant number：19056011 2007 - 2011
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
MATSUSHITA Michio, FUJIYOSHI Satoru
Grant amount：\35000000 （ Direct Cost: \35000000 ）
Physical and chemical properties of enzyme can be studied using a homogeneous solution of a purified sample of enzyme. However, in living cells, individual protein molecules of enzyme are in different locations to experience different environments, so that they function differently. For understanding enzymatic reactions on the basis of molecular science, observation of individual molecules is essential. In this study we realized spectroscopy of visible-fluorescent single protein molecules.
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Vibrational spectroscopy of single proteins
Grant number：19685001 2007 - 2011
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Young Scientists (A)
FUJIYOSHI Satoru
Grant amount：\24830000 （ Direct Cost: \19100000 、 Indirect Cost：\5730000 ）
Vibrational infrared absorption of a single protein molecule was detected at a few kelvins as infrared-induced recovery of visible fluorescence of a dye with which the protein was labeled. This sensitive method of detecting infrared absorption was demonstrated for a single bovine serum albumin (BSA) molecule labeled with Alexa Fluor 660 by determining the vibrational infrared absorption spectrum of the backbone vibrations of the R-helical structure in the wavelength region around 6μm (1650cm-1). In addition to measuring the vibrational infrared absorption spectrum, the visible fluorescence can be simultaneously used for imaging of the same dye-labeled single protein molecules.
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多光子励起による単一タンパク質分光装置の作製
Grant number：17750006 2005 - 2006
日本学術振興会 科学研究費助成事業 若手研究(B)
藤芳 暁
Grant amount：\3600000 （ Direct Cost: \3600000 ）
本研究課題は「多光子励起による単一タンパク質分光装置の作製」である。本年度はこの研究に対してすべての光学系に反射光学系を用いた低温の顕微鏡を作製し、研究に取り組んだ。本年度中に論文掲載まで至らなかったものの、本課題を遂行するに必要であった「低温で使える反射型対物レンズの開発」および「多光子励起による単一タンパク質の観測」に成功し、論文を投稿および執筆中である。2年間という短い期間のうちに二報の欧文誌に掲載できるような成果が出たということは、本課題がせいこうであったことを物語っている。さらに、分光装置および対物レンズに関するフルペーパーを執筆予定であり、これを合わせると非常に目立った成果であった。
成果の詳細について以下に述べる。(1)「低温で使える反射型対物レンズの開発」について。これまで我々は低温の単一タンパク質分光を色収差の大きい非球面単レンズを用いていた。このため、色収差が小さい近赤外領域でも100nmくらいが使用可能な波長範囲であった。そこで、我々は合成石英で一体成形の反射型対物レンズを開発・製作し、ヘリウム温度下(1.5K)でも可視全域に渡って色収差無く使用可能なことを示した。(2)「多光子励起による単一タンパク質の観測」について。(1)に述べた対物レンズと多光子励起による優位点を活かして、二光子励起による単一タンパク質分光に成功した。用いたタンパク質の蛍光極大波長は約500nmであり、測定が難しい可視域のタンパク質の蛍光を捕らえることに成功した。 -
単分子層以下の極薄膜の超高速光学応答の測定法の開発
Grant number：16750023 2004
日本学術振興会 科学研究費助成事業 若手研究(B)
藤芳 暁
Grant amount：\2600000 （ Direct Cost: \2600000 ）